Murata: Ферритовые бусины
ЧИП ферритовые бусины – это частотно зависимое сопротивление, используемое для подавления высокочастотных помех в схемах с быстрыми переключениями (при переключении транзисторов и диодов). Например, уменьшение паразитных колебаний при использовании диодов в схеме понижающего преобразователя, фильтр аналогового питания и др.
Ферритовые фильтры для поверхностного монтажа серии BLM компании Murata предназначены для подавления ЭМП в различных радиосхемах, где используются высокая плотность монтажа компонентов, высокие рабочие частоты, где требуется обеспечить высокий уровень помехоустойчивости и снижение уровня ЭМИ.
Обычно ферритовые бусины имеют форму полого цилиндра, в отверстие которого пропускается проводник или ножка радиокомпонента. Ферритовые фильтры для поверхностного монтажа выполняются по многослойной пленочной технологии. На каждый ферритовый слой наносится структура полувитка обмотки. При спекании слоев происходит соединение секций и формируется катушка с внутренним ферритовым стержнем. Такая конструкция позволяет увеличить сопротивление при малых габаритных размерах компонента.
Частотные характеристики ферритовых бусин
Ферритовые ЧИП бусины – это последовательно включенные индуктивность и сопротивление, по сути это индуктивности с большими потерями на перемагничивание (поэтому они изготавливаются из специальных ферритовых материалов). Чем чаще феррит перемагничивается, тем больше на нем выделяется тепла. Тепло выделяется на активном сопротивлении, а не на индуктивности. Т,о. импеданс чип бусины определяется как сумма активного и реактивного сопротивления. Зависимость этих сопротивлений от частоты указывается в документации на компоненты и подбирается под конкретную задачу.
Также, для правильного выбора фильтра необходимо учитывать спектр помех и требуемый уровень их подавления, а также диапазон рабочих токов.
Ферритовые бусины для низкочастотных применений
BL M 18 AG 121 S N 1 D
1. Ферритовые бусины Murata
2. Тип:
А – сборка
М – дискретный компонент
3. Типоразмер
02 – 01005
03 – 0201
15 – 0402
18 – 0603
21 – 0805
31 – 1206
32 – 1210
41 – 1806
4. Особенности применения
Ax – общего применения
Bx – для высокоскоростных линий передачи данных
Рх – для линий питания
RK – для цифровых интерфейсов
HG – для диапазона до 1ГГц
5. Номинальное сопротивление на частоте 100 МГц, Ом (первые две цифры значимые, третья – степень числа 10)
7. Категория: N – стандарт
8. Количество элементов: 1 – 1 элемент, 4 – сборка из 4х элементов
9. Упаковка: В – россыпью, К/J – на ленте 330 мм, L /D – на ленте 180 мм
Развязка питающего напряжения
Развязка земли
Фильтрация «звона» в шинах передачи данных и интерфейсных портах
Фильтрация помех на шинах тактовых сигналов
Выбор и использование ферритовых бусин для подавления звона в импульсных преобразователях
Введение
«Звон» — распространенный термин, обозначающий нежелательные колебания, которые происходят при коммутации ключа и наличии паразитных индуктивностей и емкостей. Паразитная емкость ключа, высвобождающая энергию при его переключении, образует звон с паразитными индуктивностями дискретных силовых дросселей, проводников печатной платы, выводов компонентов, разъемов и т. д. Поскольку у печатных плат всегда имеются паразитные элементы, все импульсные преобразователи генерируют, по крайней мере, незначительный звон. Частоты этих электромагнитных помех (ЭМП), как правило, находятся в диапазоне 50–200 МГц. На этих частотах проводники печатных плат, а также входные и выходные выводы работают как антенны, приводя к появлению кондуктивных помех и излучаемого шума.
Большинство импульсных преобразователей работает на частотах до 5 МГц. Поскольку мощность высших гармонических составляющих, возникающих при коммутации, как правило, очень мала на частотах до 50 МГц и выше, на осциллограмме излучаемых ЭМП эти гармоники маскируются основной частотой и могут остаться незамеченными. Кроме того, если пульсации основной частоты относительно просто подавляются с помощью LC-фильтров, то с гармониками высших порядков дело обстоит иначе. На частотах 50–200 МГц многие дроссели фильтра ведут себя не как индуктивности, а как емкости, и практически перестают ослаблять сигналы. Схожим образом ведут себя и конденсаторы фильтра, импеданс которых в диапазоне 50–200 МГц приобретает индуктивный характер. В таких случаях более эффективным способом фильтрации является использование ферритовых бусин, поскольку у них очень малое сопротивление на низких частотах (как правило, меньше 10 МГц). Однако у этих компонентов очень большие резистивные потери в диапазоне частот 10 МГц…1 ГГц, что зависит от их типа и конструкции. Как правило, ферриты применяются последовательно входным и выходным соединениям импульсных преобразователей, а также последовательно силовым ключам, как видно из рис. 1.
Рис. 1. Типовая схема синхронных понижающих преобразователей с использованием ферритовых бусин
Поскольку главным недостатком размещения ферритовых бусин на рис. 1 является прохождение через них больших токов, номинальные сопротивления этих устройств по постоянному току должны соответствовать требованиям к мощности рассеивания. Кроме того, необходимо также учитывать рассеиваемую мощность устройствами при преобразовании высокочастотного звона в тепло. Величину рассеиваемой мощности высокочастотных токов трудно рассчитать, т. к. амплитуда сигналов почти полностью зависит от паразитных элементов. На практике ферритовые бусины выбираются так, чтобы их номинальный ток в два раза превышал фактическое максимальное значение тока через эти элементы. При небольшой мощности применяются недорогие устройства для поверхностного монтажа, но при высоких значениях мощности необходимо параллельно устанавливать большие ферриты, что приводит к удорожанию схемы и уменьшению свободного места на плате.
В статье рассматриваются ферритовые бусины типоразмеров 0603 и 0805, которые позволяют уменьшить скорость нарастания фронта в переходных процессах при коммутации MOSFET верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, что, в свою очередь, позволяет уменьшить амплитуду и продолжительность звона. В частности, уменьшение скорости нарастания фронта импульсов обеспечивает превосходные результаты; при этом лишь незначительно возрастают потери на переключение. Эта задача решается путем тщательного выбора и настройки сопротивления, установленного в цепь затвора MOSFET или вывода с положительным напряжением питания для затвора в управляющей цепи. Однако ферритовая бусина того же размера, что и резистор, так же или даже лучше справляется с поставленной задачей. Выбор бусины осуществляется с помощью ее технического описания, что намного сокращает время испытаний.
Установка бусины последовательно бутстрепной схеме
На рис. 2 показаны два возможных способа реализации элемента, ограничивающего скорость нарастания фронта импульсов: в цепь затвора MOSFET верхнего плеча или последовательно бутстрепной цепи. Второй способ предпочтительнее по трем основным причинам. Во‑первых, при его использовании ограничивается только скорость восходящего фронта, благодаря чему экономится расходуемая мощность, т. к. в каждом цикле замедляется только один переходный процесс (при его замедлении, как известно, увеличиваются потери на переключение). Во‑вторых, замедление скорости нарастания восходящего фронта управляющего MOSFET в синхронном понижающем преобразователе может стать причиной возникновения нежелательного сквозного тока между шинами питания, когда оба MOSFET одномоментно находятся во включенном состоянии. В‑третьих, если резистор затвора можно задействовать, только если MOSFET не встроен в преобразователь, то бутстрепный вывод доступен при использовании большинства понижающих регуляторов с собственными MOSFET, что повышает применимость этого метода для управляющих микросхем многих других типов.
Рис. 2. Резисторы на затворе уменьшают время нарастания и спада импульсов, тогда как резисторы RBOOT в бутстрепной цепи замедляют лишь нарастающий фронт
Выбор ферритовой бусины
Для рассматриваемого приложения предлагается демо-плата DC501A с синхронным понижающим контроллером LTC3703 Linear Technology. Упрощенная схема его использования показана на рис. 3а, а на рис. 3б — полная схема.
Рис. 3. а) В упрощенной схеме, используемой в демо-плате DC501, имеется элемент R2 для ограничения скорости нарастания фронта импульсов; б) полная схема
Измерение частоты звона
Рассмотрим схему преобразователя, в которой отсутствуют элементы, ограничивающие скорость нарастания фронта. Как видно из рисунка 3а, типовое значение входного напряжения этого преобразователя составляет 48 В, выходное — 12 В, а максимальный выходной ток — 6 А. Для захвата восходящего фронта сигнала коммутационного узла следует выбрать полную полосу пропускания осциллографа. Воспользуемся пробником с пружинными наконечниками, который поставляется вместе с вольтметровыми щупами для осциллографов, чтобы минимизировать поступление излучаемых помех в контуре, образованном наконечником и гибким заземляющим проводом. Для испытаний было выбрано приспособление с секцией из трех выводов, находящихся на расстоянии 2,54 мм друг от друга, с центральным усеченным выводом (рис. 4). Вместо отсутствующего или утерянного пружинного наконечника можно с успехом задействовать кусок неизолированного провода длиной 0,5–0,75 мм, обвитого вокруг корпуса пробника.
Рис. 4. Корректное измерение напряжения с малым уровнем шума. Желтым кружком обозначен вывод с входным напряжением, розовым — вывод с выходным напряжением, бирюзовым — коммутационный узел
На рис. 5 масштаб отображения сигнала выбран так, чтобы можно было легко измерить частоту звона. В данном случае она равна 150 МГц.
Рис. 5. Результаты измерения схемы без элементов управления скоростью нарастающего фронта показали, что период звона равен 6,64 нс, что соответствует частоте 150 МГц
Расчет или измерение среднего бутстрепного тока
Средний бутстрепный ток силового MOSFET верхнего плеча рассчитывается следующим образом:
В рассматриваемом примере преобразователь работает на частоте 260 кГц, а величина максимального заряда на затворе равна 41 нКл. Исходя из того, что длительность переднего фронта импульса при коммутации составляет 1% периода сигнала, для образования максимального заряда затвора 41 нКл средний ток во включенном состоянии MOSFET равен примерно 5,3 мА:
В сигнал бутстрепного тока также входят импульсные помехи, возникающие при переключении тока MOSFET величиной 1 А или больше. Поскольку их продолжительность не превышает 100 нс, а вклад в разогревание феррита минимальный, ими можно пренебречь.
Рис. 6. Звон схемы демо-платы DC501A в отсутствие схемы по управлению скоростью нарастания сигнала при: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току, кан. 2 — коммут. узел, кан. 3 = VOUT AC
Выбор феррита с максимальным сопротивлением на частоте звона
Ферритовые бусины для поверхностного монтажа серии WE-CBF от компании Würth Elektronik выпускаются с типоразмерами 0402–1812, а благодаря серийному производству у серии 0603 очень привлекательная цена. (Заметим, что в серии WE-TMSB имеются миниатюрные ферритовые бусины.) Несмотря на свои малые размеры, даже компоненты серии 0603 с максимальным сопротивлением при 150 МГц могут работать со средним током 50 мА и тем более с управляющим током 5 мА, как в рассматриваемом примере. На рис. 6–9 сравнивается работа исходной схемы без элемента управления скоростью нарастания фронта со стандартным резистором 16,2 Ом, с ферритовой бусиной 74279265 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 600 Ом при 150 МГц), а затем с ферритовой бусиной 742792693 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 2200 Ом при 100 МГц; на 150 МГц сопротивление равно примерно 1500 Ом).
Рис. 7. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании толстопленочного резистора R2 величиной 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 8. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 600-Ом феррита 74279265 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 9. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 2200-Ом феррита 74279263 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Это устройство с максимальным сопротивлением на частоте звона позволяет наилучшим образом уменьшить не только амплитуду, но и продолжительность нежелательных колебаний (рис. 10), а его выбор не представляет особого труда и осуществляется с помощью соответствующих технических описаний.
Рис. 10. Сравнение напряжений коммутационного узла
На рис. 11 показаны типовые частотные характеристики реактивного сопротивления, активного сопротивления и импеданса ферритовых бусин 74279265 (600 Ом) и 742792693 (2200 Ом). На всякий случай напомним, что на количество тепла, образующегося за счет преобразования высокочастотного сигнала, влияет активное (омическое) сопротивление.
Рис. 11. Типовые частотные характеристики реактивного и активного сопротивлений, а также импеданса ферритовых бусин: а) 74279265 и б) 742792693
Потери мощности и ее рассеивание
При управлении крутизной сигнала достигается некий компромисс между уменьшением ЭМП и растущими потерями. Замедление скорости нарастания сигнала при переключении MOSFET может привести к перегреву этого ключа, снижению общей эффективности до неприемлемого уровня. В таблице 1 представлены значения входного тока и КПД рассматриваемой схемы без элемента управления крутизной сигнала, с подобранной величиной R2 = 16,2 Ом и с двумя ферритовыми бусинами.
Несмотря на то, что для повышения электромагнитной совместимости потребовалось немного уменьшить КПД, применение феррита с номинальным сопротивлением 2200 Ом имеет небольшое преимущество по эффективности ограничения скорости нарастания и уменьшения звона по сравнению с использованием резистора.
Рис. 12. Осциллограмма излучаемых ЭМП демо-платы DC501A без элемента управления крутизной сигнала: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Анализ излучаемых помех
В этом разделе рассматривается соответствие излучаемых электромагнитных помех демо-платы DC501A стандарту EN55022 по ЭМС для ИТ-оборудования. На рис. 12–15 представлены частотные развертки излучаемых ЭМП демо-платы DC501A для рассматриваемых четырех случаев: без ограничивающего элемента, с ограничивающим элементом R2, а также с использованием двух ферритовых бусин с разными сопротивлениями. На рис. 16 сравниваются все указанные развертки, а в таблице 2 приводятся уровни излучаемых ЭМП в диапазоне 150 МГц в зависимости от используемых ограничивающих элементов.
Рис. 13. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 14. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 600 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 15. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 2200 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 16. Сравнение разверток излучаемых ЭМП при использовании платы DC501A
В своей совокупности, развертки излучаемых ЭМП подтверждают данные, взятые из частотной области: правильно подобранный резистор, установленный последовательно положительному выводу питания бутстрепной схемы, уменьшает квазипиковые и усредненные уровни излучаемых помех примерно на 10 дБмкВ, а ферритовая бусина с максимальным сопротивлением на основной частоте шума работает не хуже, а часто и лучше этого резистора.
Управление включением и выключением в драйверах затвора в нижнем плече
Управление скоростью нарастания фронтов импульсов осуществляется и с помощью выводов затвора других импульсных преобразователей. При этом необходимо учитывать положение ограничивающего элемента относительно затворов MOSFET и IGBT. К другим топологиям с ключами в верхнем плече относятся однотактный прямоходовой полумостовой и мостовой преобразователи. При их использовании необходимо устанавливать элемент управления затвором последовательно выводу положительного питания драйвера затвора с плавающей землей. Однако в каждой из этих топологий применяется также, по крайней мере, один ключ нижнего плеча, а в повышающих, обратноходовых, прямоходовых и пушпульных преобразователях используются только ключи нижнего плеча. Как правило, нарастающий фронт сигналов требует управления, а продолжительность спадающего фронта должна быть как можно меньше. Относительно малое количество управляющих ИС оснащено специализированным выводом для управления положительным выводом источника питания их драйверов ключей нижнего уровня, тогда как в большинстве случаев наилучшим решением является установка небольшого диода Шоттки параллельно элементу управления крутизной импульсов. При этом оба подключаются к затвору, как видно из рис. 17.
Рис. 17. Антипараллельный диод Шоттки обеспечивает управление включением, не оказывая влияния на выключение в цепях управления затвором ключей в нижнем плече
Выводы
Ферритовые бусины, установленные последовательно бутстрепному выводу понижающего преобразователя, представляют собой эффективные компоненты по ограничению звона. Эти бусины ослабляют высокочастотный шум, не занимая большого места на печатных платах и не ухудшая эффективность решения. Их преимущества над резисторами заключаются в простоте выбора и малом времени тестирования. Несколько более высокая стоимость феррита 0603 по сравнению с толстопленочным резистором того же типоразмера компенсируется использованием более компактных, легких и недорогих фильтров на входах и выходах импульсных преобразователей. Снабберным схемам, установленным последовательно или параллельно коммутационным элементам, не приходится рассеивать достаточно большую мощность, что позволяет повысить эффективность, уменьшить рабочую температуру, стоимость решения и место, занимаемое на печатной плате.
Многослойные ферритовые чип-фильтры компании Chilisin
Ферритовые чип-фильтры предназначены для подавления электромагнитных помех в различных узлах электронной аппаратуры, где используются высокая плотность монтажа компонентов, высокие рабочие частоты, где требуется обеспечение высокого уровня помехоустойчивости и снижение уровня ЭМИ. Тайванская компания Chilisin Electronics Co., Ltd, используя самые современные технологии, выпускает широкую номенклатуру многослойных ферритовых чип-фильтров с отличным соотношением «цена-качество».
Ферритовый фильтр является пассивным электрическим компонентом, использующимся для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Ферритовые фильтры-бусины (ferrite-beads) имеют конструкцию в виде ферритового полого цилиндра, кольца или тора, внутри которого проходит токовый проводник. Для увеличения индуктивности ферритового фильтра может использоваться и многовитковая тороидальная обмотка. Ферритовые фильтры используются как на сигнальных проводах для ослабления внешних помех, так и на проводах питания для уменьшения в них собственных ВЧ-помех.
Многослойные ферритовые чип-фильтры
Для поверхностного монтажа конструкция ферритовых фильтров реализуется посредством применения технологии многослойной пленочной структуры. Для увеличения эффективности фильтров в малых объемах требуется индуктивность высокой плотности. Для этого используется интегральная обмотка, выполненная на многослойной пленочной структуре.
На каждом слое тонкой подложки формируется пленочная структура полувитка обмотки. На двух слоях выполняется один виток обмотки. При спекании десятков или сотен слоев производится соединение секций проводников, в результате чего формируется объемная катушка с ферритовым стержнем внутри. Слои могут располагаться как в горизонтальной плоскости (типовая конструкция), так и в вертикальной (фильтры для СВЧ-диапазона свыше 1 ГГц). На рисунке 1 показаны топологии слоев в структуре ферритового чип-фильтра.
Рис. 1. Горизонтальная (а) и вертикальная (б) топологии расположения слоев в структуре ферритового чип-фильтра
Применение вертикальной структуры позволяет уменьшить паразитную емкость между витками многослойной структуры и электродами. За счет этого удается расширить рабочую полосу частот чип-фильтра.
В структуре используются марганец-цинковые и никель-цинковые пленки ферритов. Применение различных ферритовых материалов, размеров, а также топологии слоев обеспечивает получение чип-фильтров с различными параметрами.
Рис. 2. Структура многослойного ферритового чип-фильтра
На рисунке 2 показана структура чип-фильтра с горизонтальной топологией слоев интегральной обмотки.
Использование дополнительной структуры катушки вместо обычного монолитного ферритового стержня позволяет увеличить импеданс при меньших габаритах. В действительности определенная часть ферритовых чип-фильтров устроена именно как ферритовый стержень с двумя электродами.
Ферритовые чип-фильтры для фильтрации электромагнитных помех изготавливаются по многослойной технологии, использующей никель-цинковые ферромагнитные материалы. На рисунке 3 показана структура и процесс формирования многослойных ферритовых чип-фильтров. Структура катушки формируется в нескольких слоях ферритового материала.
Рис. 3. Технология и конструкция ферритовых чип-фильтров
Рис. 4. Внешний вид ферритовых чип-фильтров Chilisin
Технология производства многослойных ферритовых ЭМИ-фильтров точно такая же, как и для производства многослойных чип-индуктивностей. Только в них для формирования ферритовых слоев используются различные типы материалов. Для ферритовых чип-фильтров используется материал с большим поглощением, а для чип-индуктивностей, наоборот, с меньшим поглощением на высоких частотах.
Ферритовые чип-фильтры внешне очень похожи на керамические конденсаторы. На рисунке 4 показан внешний вид ферритового чип-фильтра Chilisin.
Основные параметры ферритовых чип-фильтров Chilisin
Основными параметрами, по которым производится выбор чип-фильтров являются: рабочий диапазон частот, импеданс на тестовой частоте 100 МГц (в Ом), сопротивление на постоянном токе (в Ом), максимально допустимый ток, допустимое отклонение импеданса от номинала, форм-фактор (размеры корпуса), а также рабочий температурный диапазон.
Номинальный импеданс приводится, как правило, на частоте 100 МГц. Для СВЧ-диапазона приводятся типовые значения импеданса на частоте 1000 МГц.
Допустимое отклонение от номинала приводится в относительных единицах. Габариты, номинальное значение импеданса и разброс импеданса присутствуют в названии компонента. Для выбора необходимого фильтра важно знать и другие параметры, которые не даны в названии. Они приведены в технической документации на компонент. Это:
В таблице 1 приведены возможные типоразмеры для ферритовых чип-фильтров Chilisin.
Таблица 1. Типоразмеры ферритовых чип-фильтров Chilisin
| Код | Размер (ДxШxВ), мм | Код EIA |
| 060303 | 0.6×0.3×0.3 | 0201 |
| 100505 | 1.0×0.5×0.5 | 0402 |
| 160808 | 1.6×0.8×0.8 | 0603 |
| 201209 | 2.0×1.2×0.9 | 0805 |
| 201212 | 2.0×1.2×1.25 | 0805 |
| 321611 | 3.2×1.6×1.1 | 1206 |
| 321616 | 3.2×1.6×1.6 | 1206 |
| 322513 | 3.2×2.5×1.3 | 1210 |
| 451616 | 4.5×1.6×1.6 | 1806 |
| 453215 | 4.5×3.2×1.5 | 1812 |
Номинальный ток
Это максимальный постоянный ток, который может протекать через чип-фильтр. Для ферритов определяется как ток, при котором нагрев компонента не превышает 20°C. При более высоких токах, протекающих через компонент, происходит насыщение феррита и, как следствие, снижение полного сопротивления до 25%.
Сопротивление постоянному току
Величина сопротивления постоянному току чип-фильтра зависит от длины чипа, числа слоев в феррите, толщины и конфигурации. Сопротивление измеряется при комнатной температуре. Чип-фильтры имеют сопротивление по постоянному току от нескольких мОм до нескольких Ом в зависимости от типа.
Частотные характеристики импеданса ферритовых чип-фильтров
Эквивалентная схема ферритового чип-фильтра – последовательно включенные индуктивность и сопротивление.
Величина сопротивления сильно зависит от частоты проходящего сигнала. Ферритовые ЭМИ-фильтры — это индуктивности с большими потерями на перемагничивание. Эта особенность и является основным отличием чип-фильтров от чип-индуктивностей.
Чип-фильтры изготавливаются из специальных ферритов с большими потерями на перемагничивание. Эта энергия выделяется в виде тепла. Тепло выделяется на активном сопротивлении, а не на индуктивности! Импеданс чип-фильтра определяется двумя компонентами: активной и реактивной. Формула для определения импеданса:
где R – активная компонента, а X – реактивная. Обе компоненты являются частотно-зависимыми. В документации на чип-индуктивность для каждой серии приводится частотные характеристики импеданса и его составляющих. На рисунке 5 показаны типовые частотные характеристики импеданса ферритового чип-фильтра. X — это реактивная часть импеданса, R — активная, Z — полный импеданс.
Рис. 5. Типовая частотная характеристика импеданса ферритового чип-фильтра
Как видно из рисунка, после 30 МГц активное сопротивление преобладает над реактивным. Ниже резонансной частоты полное сопротивление компонента по существу определено индуктивной составляющей. В диапазоне 50…100 МГц ситуация меняется. Активная составляющая потерь доминирует с увеличением частоты, а индуктивная составляющая стремится к нулю. Импеданс чип-фильтров увеличивается с частотой, что характерно и для чип-индуктивностей. Основной характеристикой импеданса индуктивности (Z) является реактивное сопротивление (X). С другой стороны, поскольку фильтр создан на базе ферритового материала, имеющего большие потери на высоких частотах, основной характеристикой в высокочастотном диапазоне является резистивная компонента (R). По сравнению с обычной индуктивностью, ферритовый чип-фильтр обладает лучшей способностью к поглощению энергии ЭМИ, обеспечивая эффект подавления высокочастотных шумов.
На рисунке 6 приведена система обозначений для ферритовых чип-фильтров Chilisin. Эта система обозначений применима для следующих серий чип-ферритовых ЭМИ-фильтров Chilisin: SB, GB, PB, UPB, NB, HF, VPB.
Рис. 6. Cистема обозначений для многослойных ферритовых чип-фильтров Chilisin
Следует отметить, что для ферритовых ЭМИ-фильтров важна не столько высокая точность номинала импеданса, сколько точность значения индуктивности для ферритовых чип-индуктивностей.
В таблице 2 приведены основные параметры для различных серий ферритовых многослойных чип-фильтров, производимых Chilisin.
Таблица 2. Базовые параметры ферритовых чип-фильтров Chilisin
| Наименование | Код типоразмера, мм/дюйм | Импеданс, Ом | Предельный рабочий ток, мА |
| Для НЧ сигнальных цепей с частотой до 1 ГГц | |||
| SBJ060303 NEW! | 0603/0201 | 60…470 | 200…300 |
| SBJ100505 | 1005/0402 | 6…2500 | 100…500 |
| SBJ160808 | 1608/0603 | 7…2700 | 200…500 |
| SBJ201209 | 2012/0805 | 7…2700 | 100…600 |
| SBJ321611 | 3216/1206 | 11…1500 | 200…600 |
| SBJ321616 | 3216/1206 | 25…70 | 500 |
| SBJ322513 | 3225/1210 | 26…2000 | 200…500 |
| SBJ451616 | 4516/1806 | 33…170 | 500…600 |
| SBJ453215 | 4532/1812 | 30…125 | 500 |
| SBY060303 NEW! | 0603/0201 | 10…600 | 100…500 |
| SBY100505 | 1005/0402 | 6…330 | 100…500 |
| SBY201209 | 2012/0805 | 5…56 | 500…600 |
| SBY321611 | 3216/1206 | 8…60 | 500…600 |
| SBY321616 | 3216/1206 | 25…60 | 500 |
| SBY322513 | 3225/1210 | 32…120 | 500 |
| SBY451616 | 4516/1806 | 33…100 | 500…600 |
| SBY453215 | 4532/1812 | 70…150 | 500 |
| SBK160808 | 1608/0603 | 6…2700 | 200…500 |
| SBK201209 | 2012/0805 | 60…2700 | 200…500 |
| SBK321611 | 3216/1206 | 70…2700 | 300…500 |
| SBK321616 | 3216/1206 | 70 | 500 |
| GBK160808 | 1608/0603 | 10…1500 | 150…1000 |
| GBK201209 | 2012/0805 | 60…2000 | 400…800 |
| GBK321611 | 3216/1206 | 70…2000 | 400…800 |
| GBY201209 | 2012/0805 | 7…40 | 800…1000 |
| GBY321611 | 3216/1206 | 19…60 | 800…1000 |
| Для шин питания с полосой до 1 ГГц | |||
| PBY060303 NEW! | 0603/0201 | 10…240 | 350…1000 |
| PBY100505 | 1005/0402 | 7…120 | 1200…2000 |
| PBY160808 | 1608/0603 | 6…1500 | 500…4000 |
| PBY201209 | 2012/0805 | 5…1500 | 1000…6000 |
| PBY321611 | 3216/1206 | 7…1500 | 800…6000 |
| PBY322513 | 3225/1210 | 19…120 | 2500…4000 |
| PBY451616 | 4516/1806 | 19…1300 | 2000…6000 |
| PBY453215 | 4532/1812 | 19…1300 | 1500…6000 |
| PBJ100505 | 1005/0402 | 10 | 2000 |
| PBJ160808 | 1608/0603 | 10…1000 | 800…4000 |
| PBJ201209 | 2012/0805 | 7…1000 | 1500…6000 |
| PBJ321611 | 3216/1206 | 11…1500 | 800…6000 |
| PBJ322513 | 3225/1210 | 60…90 | 3000…4000 |
| PBJ451616 | 4516/1806 | 50…150 | 2000…6000 |
| PBJ453215 | 4532/1812 | 30…130 | 3000…6000 |
| Для фильтрации сильноточных цепей с полосой до 1 ГГц | |||
| UPB100505 NEW! | 1005/0402 | 33…600 | 900…3000 |
| UPB160805 NEW! | 1608/0603 | 26…330 | 1500…3300 |
| UPB160808 | 1608/0603 | 10…180 | 2000…5000 |
| UPB201209 | 2012/0805 | 11…330 | 3000…6000 |
| UPB201212 | 2012/0805 | 50…120 | 5000…6000 |
| UPB321611 | 3216/1206 | 11…220 | 4500…6000 |
| UPB451616 | 4516/1806 | 60…110 | 4000…7000 |
| UPB453215 | 4532/1812 | 40…150 | 6000…9000 |
| Для фильтрации ВЧ-сигнальных цепей с полосой до 1 ГГц | |||
| NBI100505 | 1005/0402 | 3…240 | 250…500 |
| NBI160808 | 1608/0603 | 4…500 | 200…700 |
| NBI201209 | 2012/0805 | 80…300 | 400…500 |
| NBQ060303 | 0603/0201 | 10…120 | 100…300 |
| NBQ100505 | 1005/0402 | 6…600 | 200…500 |
| NBQ160808 | 1608/0603 | 5…2500 | 100…700 |
| NBQ201209 | 2012/0805 | 5…2700 | 200…800 |
| NBQ321611 | 3216/1206 | 15…1500 | 300…600 |
| Для фильтрации СВЧ-сигнальных цепей с полосой свыше 1 ГГц | |||
| HFY100505 | 1005/0402 | 200…1000 | 250…450 |
| HFJ100505 | 1005/0402 | 600…1800 | 200…300 |
| Для фильтрации СВЧ-цепей с полосой свыше 1 ГГц и большим током | |||
| HFY100505-NP NEW! | 1005/0402 | 120…220 | 700…1500 |
| Для фильтрации сильноточных цепей с полосой до 1 ГГц | |||
| VPB160808 | 1608/0603 | 10…600 | 2000…6000 |
Типовые частотные характеристики импеданса ферритовых чип-фильтров
Для выбора подходящего чип-фильтра важно знать и учитывать частотную характеристику импеданса. Ниже, для справки, приведены типовые частотные характеристики импеданса для нескольких популярных серий чип-фильтров, применяемых для фильтрации в сигнальных цепях и цепях питания.
Серия GB
На рисунке 7 приведены типовые частотные характеристики серии GB.
Рис. 7. Частотная характеристика импеданса для серии чип-фильтров GB
С ростом частоты импеданс фильтра увеличивается. Фильтр применяется в относительно низкочастотных цепях с рабочими частотами до 1 ГГц.
Серия HF
В конструкции новой высокочастотной серии ферритовых чип-фильтров HF с полосой рабочих частот свыше 1 ГГц используется не продольное размещение слоев (горизонтальное), а поперечное (вертикальное). На рисунке 8 приведена частотная характеристика импеданса чип-фильтра серии HF100505T.
Рис. 8. Частотная характеристика импеданса для серии чип-фильтров HF
Импеданс на высоких частотах резко снижается. Эффективное подавление паразитных частот ЭМИ производится до частоты около 2…3 ГГц.
Чип-фильтр серии PBY
На рисунке 9 приведена частотная характеристика импеданса ферритового чип-фильтра серии PBY, предназначенного для применения в сильноточных цепях с рабочими токами до 6 А.
Рис. 9. Частотная характеристика фильтра серии PB для работы в сильноточных цепях питания
Выбор и применение чип-фильтров Chilisin
Для выбора оптимального типа ферритового чип-фильтра в первую очередь определяется спектр помех, требуемый уровень их подавления и диапазон рабочих токов. Исходя из условий применения, выбирается импеданс и допустимое сопротивление чип-фильтра по постоянному току. По полученным параметрам подбирается серия и тип чип-фильтра с требуемой полосой эффективного подавления помех. Значение тока и сопротивление особенно важны при установке чип-фильтров в цепях питания. В первую очередь нужно выбирать такие типы, которые обеспечивают работу фильтра без насыщения. Значение сопротивления на постоянном токе обеспечит минимальное падение напряжения.
В таблице 3 приведены рекомендуемые значения импедансов ферритовых чип-фильтров для применения в различных цепях электронной аппаратуры.
Таблица 3. Характерные значения импедансов для различных цепей
| Цепь | Импеданс, Ом |
| Цепи заземления | 1…10 |
| Линии питания | 10…20 |
| Линии видеосигнала, тактирующие сигналы и линии передачи данных | 50…90 |
| Длинные линии передачи данных | 90…150 и более |
Типовыми применениями для ферритовых чип-фильтров является:
Фильтрующий эффект увеличивается при:
Устанавливаются чип-фильтры, как правило, максимально близко к устройству-источнику помех, чтобы уменьшить эффективную длину провода-антенны с высокочастотным шумом.
Установка EMI-фильтров в местах подключения интерфейсных кабелей
Наибольшего подавления помех в интерфейсных кабелях можно добиться, используя в местах подключения кабелей ферритовые чип-фильтры. При разработке платы очень важно обеспечить минимальный импеданс на высоких частотах между земляным выводом (GND) ЭМП-фильтра на печатной плате и металлическим корпусом.
Фильтрация на шинах тактовых сигналов
Тактовые сигналы высокой частоты являются источниками ВЧ-помех. Частоты тактового сигнала и помехи могут быть расположены близко друг к другу. Поэтому необходимо использовать фильтры с высоким коэффициентом затухания и крутизной спадов АЧХ – ферритовые чип-фильтры для высокоскоростных линий передачи сигналов.
Установка EMI-фильтров на шинах передачи сигналов
Параллельные шины передачи данных содержат множество линий передачи сигналов, переключающихся одновременно. Изменение сигналов на шинах адреса и данных вызывает значительное увеличение импульсного тока, протекающего в цепях земли (GND) и питания. Поэтому необходимо ограничивать ток, протекающий по линиям передачи сигналов.
Установка чип-фильтров в местах подключения кабеля LVDS
Кабельное соединение материнской платы ноутбука с ЖК-дисплеем повышает уровень излучаемых компьютером помех за счет гармоник LVDS-сигналов и помех от интегральных микросхем, расположенных вдоль линии передачи сигналов. Так как частота передаваемых LVDS-сигналов достигает сотен мегагерц, то для предотвращения искажения формы сигналов и подавления синфазных помех рекомендуется использовать чип-фильтры серии NB. При передаче дифференциальных сигналов LVDS магнитные потоки, создаваемые протекающим током, взаимно компенсируются, что приводит к снижению уровня помех. Однако наличие отраженных сигналов может привести к неравенству токов, протекающих по парам проводников. В этом случае синфазные дроссели работают как трансформаторы для балансировки токов, что позволяет, в конечном счете, снизить уровень электромагнитных помех.
Подавление помех в интерфейсе с ЖК-дисплеем
Графический контроллер соединен с драйверами ЖК-дисплея множеством линий передачи сигналов, переключающихся одновременно. Эти переключения вызывают протекание по цепям питания и земли большого импульсного тока. Поэтому следует ограничивать ток в сигнальных линиях. Для этих целей хорошо подходят ферритовые чип-фильтры серии NB. На линиях тактовых сигналов, особенно работающих на высоких скоростях и при высоких уровнях помех, применяют фильтры серии HF или HP, обладающие высокими коэффициентом затухания и крутизной спадов АЧХ. Помехи, создаваемые переходными токами, возникают также в цепях питания. Поэтому для подавления помех в цепях питания устанавливаются ферритовые чип-фильтры, а также шунтирующие конденсаторы. В таблице 4 приведены примеры типовых применений ферритовых чип-фильтров в электронной аппаратуре.
Таблица 4. Типовые применения ферритовых чип-фильтров Chilisin различных серий
| Наименование | Категория применений | Типовые применения | Базовые параметры | |
| Ток, мА | Импеданс, кОм | |||
| Фильтрация помех в сигнальных цепях с полосой до 1 ГГц | ||||
| SB | Общее применение | Смартфоны, бытовая электроника, цифровые фотокамеры | 50…500 | 0.005…2.7 |
| GB | Общее применение | Смартфоны, мобильная аппаратура | 100…500 | 0.007…2 |
| Фильтрация помех в сигнальных цепях с полосой порядка 1 ГГц | ||||
| NB | Цифровые ВЧ-сигналы | Видеодекодеры, цепи DSP, Bluetouth, смартфоны, цифровые фотокамеры, спутниковые ресиверы, тюнеры | 50…500 | 0.005…2.7 |
| Фильтрация помех в сигнальных цепях с полосой более 1 ГГц | ||||
| HF; HP | СВЧ-сигналы свыше 1 ГГц | СВЧ-приемники и трансиверы | 50…2000 | 0.12…1.8 |
| Фильтрация помех в силовых цепях с током до 6 А | ||||
| PB | Цепи питания общего назначения | DC/DC-конверторы, видеодекодеры, цепи USB/IEEE1394, LAN интерфейсов, видеоплаты, цифровые фотокамеры | 800…6000 | 0.005…1.5 |
| UPB | Сильноточные цепи | DC/DC-конверторы | 4000…6000 | 0.005…0.33 |
Совместимость и взаимозаменяемость
Технология производства многослойных ферритовых чип-фильтров, используемая компанией Chilisin, полностью соответствует технологии многослойных ферритовых чип-фильтров, используемых ведущими производителями, такими как TDK, Murata, T-Yuden, Vishay, Sumida, Kemet. Ферритовые чип-фильтры Chilisin по своим параметрам полностью идентичны чип-фильтрам других производителей, и могут быть рекомендованы в качестве альтернативной замены. Представленные в таблице 5 серии ферритовых чип-фильтров являются полными или близкими аналогами соответствующих компонентов Chilisin.
Таблица 5. Соответствие аналогов ферритовых чип-фильтров Chilisin различных производителей
